对舰船用低碳高强钢进行900℃奥氏体化淬火+不同温度(770，790，810，830℃)临界区退火+500℃回火处理，研究了临界区退火温度对试验钢显微组织和力学性能的影响。结果表明：随着临界区退火温度的升高，退火后形成的板条马氏体和贝氏体发生回复，趋于合并而呈块状特征；在770℃退火条件下，试验钢的强度较低，-20℃冲击功较高，冲击断裂模式为韧性断裂；当退火温度升高到790℃及以上时，试验钢的强度增大，冲击功下降，断裂模式转变为准解理断裂，并且冲击功随温度升高进一步下降，拉伸性能则变化不大。
1、试样制备与试验方法
试验材料为舰船用低碳高强钢，其实测化学成分(质量分数/%)为0.01C，0.22Si，1.95Mn，1.90Cu，0.45Cr，0.55Mo，2.20Ni，余Fe。使用50kg真空感应炉冶炼试验钢并浇铸成铸坯，铸坯尺寸为150mm×150mm×300mm。使用马弗炉将铸坯在氩气保护下加热至1250℃保温3h，使铸坯成分均匀化。使用液压机将铸坯锻造成截面尺寸为40mm×40mm的方坯。使用二辊轧机将方坯通过5道次热轧成厚度为12mm的钢板，压下量分别为 50.0，37.5，28.1，21.1，15.8，12.0mm，每道次压下率为25%，开轧温度为1150℃，终轧温度为800℃。热轧态试验钢板的显微组织为多边形铁素体，如图1所示。
使用热模拟试验机测得试验钢的奥氏体转变开始温度Ac1、奥氏体转变终了温度Ac3、贝氏体转变开始温度Bs、贝氏体转变终了温度Bf分别为763，843，602，438℃。根据上述相变温度确定热处理温度，在马弗炉中对试验钢板进行热处理，钢板试样尺寸为160mm×50mm×12mm。首先将试样加热至900℃进行完全奥氏体化处理，保温时间为30min，水淬至室温；然后将试样分别升温至770，790，810，830℃进行临界区退火处理，保温时间为20min，水淬至室温；最后将试样加热至500℃进行回火处理，保温时间为60min。
分别在临界区退火和热处理后的试样上取样，经机械研磨、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀约20s后，使用扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。在热处理后的试验钢板上取尺寸为55mm×10mm×10mm的标准V型缺口冲击试样，根据 GB/T 229—2020，使用摆锤冲击试验机进行低温冲击试验，试验温度为-20℃。使用扫描电子显微镜(SEM)观察冲击断口形貌。在热处理后的试验钢板上取拉伸试样，拉伸试样尺寸为90mm，平行段长度为34mm，夹持段长度为25mm，平行段与夹持段之间为平滑过渡弧连接，使用万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为2.4mm·min-1。
2、试验结果与讨论
2.1 对显微组织的影响
由文献可知，完全奥氏体化并淬火之后，试验钢的显微组织为马氏体(M)和贝氏体(B)，同时也存在先共析铁素体组织。由图2可见，当临界区退火温度为770℃时，退火温度略高于奥氏体转变开始温度，形成的奥氏体数量较少，经后续淬火后，少量奥氏体转变成M/A岛，分布在板条马氏体和贝氏体界面处，在前一道完全奥氏体化并淬火后形成的铁素体未发生改变。当临界区退火温度升高至790℃时，奥氏体呈球状，其体积分数增大，板条马氏体和贝氏体数量显著减少，完全奥氏体化并淬火后形成的铁素体依旧未发生改变。在相对较高的临界区退火温度下,较大的长大驱动力和非K-S界面迁移率使得球状奥氏体以无再配分局部平衡(NPLE)模式长大，更容易促进球状奥氏体的生成；同时，在临界区保温过程中，完全奥氏体化并淬火后形成的马氏体和贝氏体会脱碳形成铁素体。当临界区退火温度继续升高至810，830℃时，临界区退火温度接近完全奥氏体化温度，奥氏体呈球状，其体积分数进一步增大，板条状马氏体和贝氏体较790℃临界区退火下更加细小，数量更少。
由图3可见，经过淬火+不同温度临界区退火+500℃回火后，试验钢中马氏体和贝氏体发生回复，转变成回火马氏体(TM)和贝氏体，其显微组织由回火马氏体、贝氏体、少量M/A岛和铁素体组成。随着临界区退火温度的升高，试验钢中的板条状组织逐渐减少，经过回复的板条马氏体和贝氏体，组织趋于合并而呈块状特征，两者的界面变得模糊甚至消失。
2.2 对力学性能的影响
由图4和表1可见，当临界区退火温度 为770℃时，试验钢的屈服强度和抗拉强度相对较低。这是因为当试验钢在770℃临界区保温时，逆相变奥氏体通过配分富集合金元素，同时板条状奥氏体尺寸较小，在后续回火处理后仍有部分奥氏体残余，因此断后伸长率较高；但临界区退火温度进一步提高后，逆相变奥氏体体积分数升高，导致奥氏体中的合金元素含量相对降低，经后续回火处理后残余奥氏体含量降低，因此断后伸长率减小，强度增大。当临界区退火温度为790，810，830℃时，试验钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率相近。这主要与试验钢在拉伸变形中产生的相变诱导塑性(TRIP)效应有关。结合图3分析可知，当临界区退火温度为790，810，830℃时，试验钢中的板条状组织显著减少，块状组织逐渐增多，此时残余奥氏体也呈块状特征。片层状残余奥氏体的稳定性较高，在拉伸变形过程中不易发生马氏体相变；块状残余奥氏体稳定性较差，在拉伸变形过程中容易转变成马氏体而发生TRIP效应，从而提高钢的强度和塑性。因此，虽然较高温度退火后的残余奥氏体含量较低，但由于TRIP效应的存在，试验钢的强度和断后伸长率变化不大。
表1 淬火+不同临界区温度退火+回火后试验钢的力学性能
随着临界区退火温度的升高，试验钢在-20℃下的冲击功减小。这是因为随着临界区退火温度的升高，残余奥氏体逐渐呈块状特征，而块状残余奥氏体的稳定性差，在较低的能量和塑性变形量下即可发生马氏体相变，这不利于阻碍裂纹扩展，因此冲击功减小。
由图5可见，当临界区退火温度为770℃时，试验钢的冲击断口纤维区含有大量韧窝和少量撕裂棱，表明试验钢具有较好的变形能力，对裂纹扩展有较好的阻碍能力。当临界区退火温度升高到790℃及以上时，冲击断口中的韧窝数量减少，同时出现了解理面和撕裂棱，并伴随有裂纹的产生，表现出准解理断裂形貌特征。当临界区退火温度达到830℃时，冲击断口含有大量的解理平面和撕裂棱，并伴随大量的裂纹。板条状残余奥氏体在冲击变形过程中可以缓解裂纹尖端的应力集中，对断裂过程中裂纹扩展起到阻碍作用。在770℃条件下退火时，试验钢中的残余奥氏体主要呈板条状，其稳定性较高；当退火温度升高到790℃及以上时，残余奥氏体逐渐转变成块状，稳定性较差，在较低的能量和变形下即可发生马氏体相变，对裂纹扩展的阻碍能力下降，断裂模式为准解理断裂。
3、结 论
(1)经淬火+临界区退火后，试验钢组织主要由M/A岛、板条马氏体、贝氏体和铁素体组成，板条马氏体和贝氏体数量随临界区退火温度升高而减少，再经回火处理后，马氏体和贝氏体发生回复，经过回复的板条马氏体和贝氏体趋于合并而呈块状特征，板条状组织进一步减少。
(2)经淬火+临界区退火+回火处理后，当临界区退火温度由770℃升高到790℃时，试验钢的屈服强度和抗拉强度增大，断后伸长率减小；当临界区退火温度为790，810，830℃时，试验钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率相近。
(3)随着临界区退火温度的升高，试验钢在-20℃下的冲击功减小，当退火温度为770℃时冲击断裂模式为韧性断裂，当退火温度为790，810，830℃时则为准解理断裂。
引用本文：
李子赟，董欣欣，徐海卫，等.临界区退火温度对舰船用低碳高强钢组织和性能的影响[J].机械工程材料，2023，47（6）：48-52，85.
Li Z Y, Dong X X, Xu H W, et al.Effect of Intercritical Annealing Temperature on Structure and Properties of Low-Carbon High-Strength Steel for Shipboard, 2023, 47（6）: 48-52，85.
DOI:10.11973/jxgccl202306009
